陳梓瀚 杜玉曉 李步恒 賴昱凡 柯佳穎 曾田瑞

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基于雙控制器的人形機(jī)器人系統(tǒng)

陳梓瀚 杜玉曉 李步恒 賴昱凡 柯佳穎 曾田瑞

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院）

針對(duì)當(dāng)前人形機(jī)器人在實(shí)際生活中的應(yīng)用和發(fā)展前景，設(shè)計(jì)一個(gè)軟硬件高度模塊化的人形機(jī)器人系統(tǒng)?；谇度胧焦I(yè)控制板和STM32雙控制器結(jié)構(gòu)有效地控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的指令，同時(shí)集成在機(jī)器人上的各種傳感器均能迅速反饋數(shù)據(jù)；此外機(jī)器人移植了Linux系統(tǒng)，同時(shí)使用ROS次級(jí)操作系統(tǒng)，為人形機(jī)器人搭建高效的仿真平臺(tái)，優(yōu)化了算法任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高效運(yùn)行。

人形機(jī)器人系統(tǒng)；模塊化；雙控制器

0 引言

近年來(lái)，采用舵機(jī)作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊的人形機(jī)器人受到關(guān)注，且這類機(jī)器人大都采用集中控制的方式[1]。但集中控制無(wú)法根據(jù)環(huán)境的變化來(lái)實(shí)時(shí)改變步態(tài)，使得機(jī)器人難以適應(yīng)復(fù)雜的使用場(chǎng)景。

針對(duì)以上情況，本文提出人形機(jī)器人系統(tǒng)，采用雙控制器的硬件結(jié)構(gòu)。主控制器負(fù)責(zé)圖像處理和算法運(yùn)算；副控制器作為舵機(jī)控制器和麥克風(fēng)、蜂鳴器等外設(shè)連接器，指導(dǎo)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)人形機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)交互。兩者分工合作，提高了人形機(jī)器人控制器的工作效率，并具備可剪裁的特點(diǎn)。同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中，本文選擇移植開(kāi)源的Linux系統(tǒng)，并采用ROS次級(jí)操作系統(tǒng)搭建機(jī)器人仿真平臺(tái)，降低機(jī)器人算法研究和移植難度，方便機(jī)器人其他功能的后續(xù)研發(fā)。

1 硬件框架設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人雙足平衡、圖像處理等功能，系統(tǒng)須具備高效的運(yùn)動(dòng)控制模塊，高精度的傳感器和高運(yùn)算速度的處理器。此外，為保證機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少冗余，以降低整體功耗。

驅(qū)動(dòng)模塊由人形機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)構(gòu)成，其任務(wù)是驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使指令能夠穩(wěn)定執(zhí)行。為此，本文采用數(shù)字舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，確保人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性與穩(wěn)定性。

傳感器模塊用于采集機(jī)器人周?chē)沫h(huán)境信息，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反饋給控制系統(tǒng)[2]。信息反饋及時(shí)、精度高有利于機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)適應(yīng)環(huán)境[3]。為此，本文采用羅技C905 200萬(wàn)像素免驅(qū)攝像頭、IMS-C20B壓力傳感器和DS18B20溫度傳感器等采集環(huán)境信息。

控制模塊需實(shí)時(shí)收集處理傳感器的信息，并根據(jù)給定的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。本文采用PC104作為主控制器，負(fù)責(zé)算法計(jì)算和多任務(wù)處理，如步態(tài)算法和圖像識(shí)別算法等，并指導(dǎo)副控制器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；采用STM32多功能主板作為副控制器，主要用于采集陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)完成副控制器與舵機(jī)之間的通信和驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的功能。人形機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　人形機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 雙控制器控制流程

副控制器STM32的功能是及時(shí)收集傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)軀體的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。副控制器和主控制器通過(guò)串口收發(fā)傳感器采集到的數(shù)據(jù)；主控制器根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行步態(tài)和圖像運(yùn)算，使機(jī)器人對(duì)特定環(huán)境做出及時(shí)的處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)作。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在副控制器上添加了供電模塊、通信模塊和視覺(jué)模塊等，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2.1 電源電路模塊

本系統(tǒng)各主要模塊以及芯片所需電壓如表1所示。

表1　人形機(jī)器人各模塊的電源電壓

由表1可知：機(jī)器人正常工作需要3.3 V，5 V和12 V的3種電壓。機(jī)器人采用12.1 V的鋰電池供電；同時(shí)使用LM78M05芯片降壓，得到5 V電源電壓；5 V電壓再通過(guò)EZ1117芯片降壓至3.3 V。其中5 V供電電路如圖2所示，3.3 V供電電路如圖3所示。

圖2 5 V供電電路圖

圖3 3.3 V供電電路圖

2.2.2 串口通信模塊

火星上有湖泊，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)火星移民的又一突破性發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，在火星上發(fā)現(xiàn)的這個(gè)地下湖泊，僅僅是火星快車(chē)號(hào)自己的探測(cè)結(jié)果，還不能最后給出定論。這是因?yàn)榭茖W(xué)發(fā)現(xiàn)需要遵循“交叉證明”的原則。也就是說(shuō)，除了火星快車(chē)號(hào)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)湖泊之外，還要有其他途徑也能發(fā)現(xiàn)這個(gè)火星湖泊，才可以最終給出確定的結(jié)論。

串口通信模塊分為與主控制器通信模塊、與機(jī)器人軀體20個(gè)舵機(jī)通信模塊2部分。

1） 與主控制器通信模塊：采用FT232作為USB轉(zhuǎn)串口芯片，完成與主控制器通信功能。副控制器與主控制器的通信電路圖如圖4所示。

2） 與舵機(jī)通信模塊：舵機(jī)由TTL電平驅(qū)動(dòng)，其通信電路如圖5所示。其中，DXL_RXD表示舵機(jī)數(shù)據(jù)的接收端口；DXL_TXD表示舵機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送端口；數(shù)據(jù)通過(guò)TTL_DATA傳送到副控制器。同時(shí)增設(shè)一個(gè)使能位來(lái)區(qū)別同一時(shí)刻數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收狀態(tài)。

2.2.3 姿態(tài)測(cè)量模塊

本系統(tǒng)采用LIS331DLH陀螺儀，L3G4200D加速度計(jì)測(cè)量人形機(jī)器人姿態(tài)信息，電路如圖6所示。LIS331DLH、L3G4200D均使用SPI協(xié)議，副控制器使用該協(xié)議收集陀螺儀和加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送給主控制器。

圖4　主副控制器通信電路圖

圖5　副控制器與舵機(jī)通信電路圖

圖6　陀螺儀與加速度計(jì)電路圖

3 軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

主控制器相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，用于處理繁多復(fù)雜的任務(wù)，因此需要一個(gè)調(diào)度任務(wù)系統(tǒng)。在主控制器移植操作系統(tǒng)方便資源調(diào)度，降低后續(xù)功能開(kāi)發(fā)的難度[2]。

本文搭載Linux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以網(wǎng)絡(luò)為核心，性能穩(wěn)定；其內(nèi)核的訂制性很高，最小大約為100 kB；兼容性好，大大減少程序開(kāi)發(fā)和移植可能遇到的問(wèn)題[3]。

綜上所述，本設(shè)計(jì)在主控器上移植了Ubuntu LTS系統(tǒng)，并搭載了ROS次級(jí)操作系統(tǒng)，幫助機(jī)器人上層各項(xiàng)復(fù)雜功能的快速開(kāi)發(fā)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)本文提出的人形機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中用電壓計(jì)、示波器等對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行測(cè)試，并讓機(jī)器人在平地環(huán)境行走，將陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦。

4.1 電源電路模塊

通過(guò)電壓計(jì)分別測(cè)量各個(gè)模塊的實(shí)際電壓，測(cè)得電池電壓為11.8 V、EZ1117芯片引腳2電壓為3.3 V、78M05芯片引腳3電壓為5 V。此外，測(cè)得主控制芯片、陀螺儀和加速度計(jì)的工作電壓均符合額定電壓。

4.2 姿態(tài)測(cè)量模塊

陀螺儀和加速度計(jì)的位置圖和實(shí)際指向如圖7所示。觀察人形機(jī)器人前行和跌倒時(shí)陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，陀螺儀、方向輸出如圖8所示。在前100 s內(nèi)，機(jī)器人向前行走，機(jī)器人在和方向有一定的角速度，機(jī)器人左右晃動(dòng)；而100 s后，機(jī)器人靜止，和方向的輸出均為零，陀螺儀靜止，而后機(jī)器人又繼續(xù)前行。

圖7　陀螺儀和加速度計(jì)的位置圖和實(shí)際指向

圖8　機(jī)器人前進(jìn)時(shí)陀螺儀X、Y方向的輸出

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前人形機(jī)器人軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜、模塊復(fù)用性不高等問(wèn)題，本文應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，搭建一個(gè)基于雙控制器的人形機(jī)器人系統(tǒng)。硬件選取多方面考慮人形機(jī)器人的功耗、成本等因素，使用性價(jià)比較高的芯片和模塊，簡(jiǎn)化后續(xù)的固件設(shè)計(jì)；統(tǒng)一采用串口通信作為機(jī)器人的唯一通信協(xié)議；軟件上采用ROS的仿真設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了開(kāi)發(fā)的方便性。

[1] 伊強(qiáng),陳懇,劉莉,等.小型仿人機(jī)器人THBIP-II的研制與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)器人,2009,31(6):586-593.

[2] Akhtaruzzaman M, Shafie A A. Evolution of humanoid robot and contribution of various countries in advancing the research and development of the platform[C].Control Automation and Systems (ICCAS),2010 International Conference on. IEEE, 2010: 1021-1028.

[3] 王強(qiáng).基于AVR單片機(jī)的雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京:華北電力大學(xué),2012.

Humanoid Robot System Based on Dual Controller

Chen Zihan Du Yuxiao Li Buheng Lai Yufan Ke Jiaying Zeng Tianrui

(School of Automation，Guangdong University of Technology)

With the development of the world industrialization, humanoid robot has attracted the attention of various industries. Aiming at the application of humanoid robot in reality, this paper designs a system scheme of humanoid robot with software and hardware. The dual controller structure based on embedded industrial control board and STM32 can well control the robot to perform the corresponding actions, and all kinds of sensors integrated in the humanoid robot can feedback the parameters correctly .In addition, this project has transplanted Linux operating system and ROS secondary operating system on the software, built humanoid robot simulation platform, and provided a good environment for the subsequent operation of complex algorithm tasks .From the experimental data, it can be seen that this scheme is reasonable and feasible, can predetermine the function, and is a relatively mature humanoid robot system.

Humanoid Robot System; Scalable; Dual Controller

陳梓瀚，男，1997年生，在讀本科生，主要研究方向：自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。E-mail: czih995@126.com